论文摘要
我国拥有丰富的煤层气和煤矸石资源。煤矸石和煤层气资源开发利用存在的主要问题是开发利用程度低,利用效率不高,迫切需要研发设计符合工业规模化应用的煤矸石和煤层气清洁高效利用系统,从源头实现工业污染的防治,达到既节约煤炭资源又减少环境污染的双重效果。流化床混烧低热值燃料技术是国内外研究的热点之一,目前的研究主要集中于混烧固体燃料,且燃烧的稳定性和燃烧效率还有待于进一步提高。论文针对煤矸石及低热值煤层气燃烧特性,提出煤矸石和煤层气在循环流化床锅炉中混烧方法,将气体燃料燃烧和固体燃料CFB燃烧技术的结合起来,提高燃烧效率及燃烧稳定性。研究内容具有重要的学术意义和广阔的工程应用前景。论文首次建立了煤矸石和煤层气CFB混烧的气-气-固的多相流动与燃烧的物理模型与数学模型,采用数值研究及实验研究相结合的方法,探讨煤矸石和煤层气高效混烧的关键影响因素,深入分析低热值气体燃料对流化床内的流动、燃烧及污染物排放特性的影响,弄清了不同相态燃料在CFB中的混烧特性,为煤矸石和煤层气CFB混烧技术及装置的开发奠定了理论基础。首先,开发了一种更适合低热值煤层气高效燃烧的燃烧器。通过数值模拟及实验研究,深入分析其温度场、速度场和浓度场分布特性,获得最佳燃烧器的结构。研究结果表明,采用燃气管内加装导流叶片,采用两个空气环腔,配风方式为内直流外旋流的方式时,既可提高空气和燃气的混合效果,又保持了很好的射流刚性,更适合于低热值气体的燃烧,且当导流叶片数目为6,叶片倾角60°时,其综合性能最佳。其次,采用冷态数值模拟的方法,研究气体在流化床中的横向射流特性,考察了横向射流方式变化对炉内冷态气固流动特性的影响,得到了炉内颗粒速度场、浓度场分布特性,并优化了煤层气燃烧器布置;采用热态数值模拟的方法,研究低热值气体在循环流化床中的混烧特性,考察了不同的煤层气掺烧比CR、二次风率AR和过量空气系数α对煤矸石和煤层气CFB热态混烧特性的影响,深入分析不同运行工况下炉内温度场、速度场和组分浓度分布,提出最佳的混烧工况。研究结果表明:①采用二次风和煤层气燃烧器错位对冲布置的方式,二次风口在密相区,煤层气燃烧器在在密相区与稀相区的过渡区域,炉内气固间的混合较为充分,且流动状态较稳定,有利于煤层气及时着火,又可避免煤层气燃烧过程中和煤矸石抢风;②与纯烧煤矸石的工况相比,加入煤层气后,炉膛密相区温度略有降低,稀相区温度略有提升,煤层气喷口附近形成一个温度相对较高的区域,有利于未燃尽的煤矸石颗粒和煤层气的燃烧;③适当的提高CR比,AR比和α,可改善炉内的流场分布,强化颗粒燃烧,提高燃烧稳定性,且以CR=2:8,AR=20～30%,α=1.3为最佳混烧工况。然后,进行了煤矸石和煤层气CFB混烧的冷态实验研究,主要研究布风板阻力特性、料层流化特性、气流射流特性,考察不同的射流高度和射流强度下的炉内气固流动特性。研究结果表明:①布风板阻力特性曲线呈现比较标准的二次曲线关系;②布风板结构合理,具有较好的流化特性曲线;③射流的引入,加强了气气之间的混合和扰动,改善炉内流场分布。④射流位置提高,炉膛扩口至射流口以下区域气流速度降低,速度梯度变化较大;密相区颗粒浓度降低,平均颗粒浓度的变化梯度减小;⑤射流比越大,射流口以下区域气流速度越低,速度梯度变化越大;固体颗粒浓度随着射流比的增大而略有上升。最后,进行了煤矸石和煤层气CFB混烧的热态实验研究,首次考察煤层气掺烧比CR、二次风率AR和过量空气系数α等参数对炉内燃烧特性和污染物排放特性的影响。研究结果表明:①随CR的增加,炉内密相区温度下降,稀相区温度有所提升;与纯烧煤矸石相比,采用煤矸石与煤层气CFB混烧技术可使炉内温度场分布更均匀,燃烧效率更高;②随AR的增大,炉内密相区温度增大,稀相区温度略有降低,炉内温度分布更加均匀;燃烧效率先增大后减小;③随α的增大,密相区温度降低,α在1.2～1.35之间,稀相区的温度水平差别不大;燃烧效率先升增加后降低;④实际混烧过程中,合理地控制床层温度,选择合适的CR以及α,才能既保证燃烧稳定和提高燃烧效率,又能有效地降低NOx排放。⑤实验范围内, CR=2:8,α=1.3 ,AR在20%28%之间的炉内温度场分布均匀,燃烧效率较高,NOx排放量较低,综合燃烧效果较好,为合理运行工况。本文较系统地研究了煤矸石和煤层气在循环流化床混烧中的流动、燃烧及污染物排放特性,得到其关键影响因素对混烧效果的影响。课题的研究结果为煤矸石和煤层气的混烧技术优化及工业应用奠定理论基础,为煤矸石和煤层气资源化利用提供了很好的途径。